차세대 디스플레이의 핵심 소재인 양자점*을 상용화된 반도체 제조공정에 활용하여, 양자점의 물리적 특성 변화 없이 초고해상도로 패턴화하는 기술이 개발되었다.

* 양자점 : 나노미터 크기의 반도체 나노 입자로서, 빼어난 색순도와 높은 효율을 지니는 미래형 디스플레이 핵심소재

배완기 교수 공동 연구팀(서강대학교 강문성 교수, 한국전자통신연구원 강찬모 박사)이 미래형 디스플레이 구현을 위한 핵심기술로 여겨지는 초고해상도 양자점 패턴화 기술을 개발했다고 밝혔다.

양자점은 빼어난 색 재현율과 높은 광효율을 가지고 있으며 용액 공정*이 가능하다는 특성으로 가상현실 또는 증강현실 디스플레이와 같은 초고해상도 차세대 디스플레이 구현을 위한 핵심 발광 소재로써 주목받고 있다.

* 용액 공정 : 사용 재료를 유기용매 등을 이용해 액체화하여 기판위에 도포하는 방식

하지만 양자점 디스플레이를 만들기 위해서는 적･녹･청색의 양자점들을 일정한 순서로 배열하는 패턴화 공정이 필수적인데,

양자점의 고유한 전기적･광학적 특성을 유지하면서 패턴화하는 기술은 차세대 양자점 디스플레이 구현에 가장 어려운 과제로 남아있다.

이에 연구팀은 기존 양자점 표면의 분산 리간드에 광가교 리간드*를 도입하여 별도의 감광제** 및 가교제 등의 첨가물 없이 양자점만으로 패턴화가 가능한 이중 리간드 양자점 소재 기술을 제시하였다.

*  리간드 : 양자점 표면에 함유하고 있는 유기물을 리간드라고 하며, 리간드의 구조에 따라 양자점의 분산 특성을 달리할 수 있음 (분산 리간드). 연구팀은 리간드 말단에 광감응 작용기를 도입하여 양자점들이 화학적 결합을 형성할 수 있도록 함 (광가교 리간드).

**  감광제 : 빛을 흡수하여 다른 분자에서 화학적 또는 물리적 변화가 일어나게 하는 물질

광가교 리간드가 도입된 양자점 박막에 자외선을 조사하면 이웃한 양자점의 리간드 간 가교가 일어나며, 이 경우 양자점 박막은 회로 패턴 형성 공정에 사용되는 용매에 대하여 구조적 저항성을 가지게 된다.

* 용매 : 용액을 만들 때 용질(溶質)을 녹이는 액체

따라서 자외선이 조사되지 않아 구조적 저항성이 없는 부분의 양자점을 분산 용매로 제거하면 간단한 공정을 통해 패턴화된 양자점 박막을 얻을 수 있다.

이러한 패턴화 공정은 별도의 첨가물이 없기에 양자점 박막의 광학적 특성은 물론 전기적 특성까지 전혀 저해하지 않아 기존 포토리소그래피* 및 잉크젯 프린팅** 등 모든 용액 공정에 적용 가능함을 규명하였다.

*  포토리소그래피 : 파장이 짧은 빛을 마스크에 통과시켜 기판 위에 회로를 새기는 공정

** 잉크젯 프린팅 : 액체 상태의 발광 소재를 노즐을 통해 미세하게 분사하여 기판 위에 일정한 막을 형성하는 방법

이뿐만 아니라, 3,000ppi 이상의 고해상도 패턴화 기술을 요구하는 가상/증강현실 디스플레이 등 실질적인 차세대 디스플레이에 적용 가능한 기반을 마련하였다.

배완기 교수는 “연구팀이 제시한 초고해상도 비파괴 패턴화 기술은 광정보를 표현하는 디스플레이나 양자광원, 그리고 광신호를 전기신호로 바꾸어주는 광검출기 등 양자점을 이용한 모든 응용 분야에서의 활용 가능성을 증명한 것”이라고 전하였다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 나노 과학･기술 분야 국제학술지‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’에 8월 11일 온라인 게재되었다.

(그림1) 이중 리간드 양자점 구조 및 광가교 반응의 모식도

(그림2) 이중 리간드 양자점으로 구현한 양자점 패턴 및 전계발광소자